可充电无线传感器网络移动优化充电策略研究

摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）在现代化信息社会扮演着不可替代的作用，然而能量受限一直制约着无线传感器网络发展。在无线传感器网络中，节点由有限容量的电池供电，当节点电池故障或者电量耗尽时，需要及时更换节点的电池，确保整个网络的正常运行。但是在一些特殊复杂的环境里，对节点电池的更换几乎难以实现，而无线能量传输技术可望解决这一难题。当前，无线能量传输技术给节点充电面临的问题主要有：充电干扰、充电效率、充电成本、电磁辐射、距离限制等方面，其中，充电效率与距离是最主要的两个问题，如何实现高效率、最佳距离的无线能量传输是研究要解决的问题。 本文基于无线传感器网络模型，研究通过单个移动充电车作为充电设备，为传感器网络中的节点提供充电服务的充电策略。第一部分，考虑到WSN中所有传感器节点都需要充电的场景下，在移动充电车服务周期内，以最大化充电车驻站时间为目标，将充电车路径规划问题转化为经典旅行商（Traveling salesman problem,TSP）问题解决，通过所提出的改进遗传算法（Improved genetic algorithm HSGA），实现移动充电车最佳行驶路径规划。第二部分，在提高无线传感器网络生存时间的场景下建立网络充电与能耗模型，研究在移动充电车充电服务过程中，考虑节点数据收集情况与网络能量状态，以充电效率最大化为目标，根据传感器节点充电请求建立待充节点集合，提出改进在线启发式算法（Improved Online heuristic algorithm,IOHA）从待充集合中选择下一个充电节点添加到充电队列中，实现移动充电车路径的规划。 全文围绕WSN的移动充电车路径规划优化，针对提高充电效率进行研究，并通过仿真实验验证算法的有效性。仿真结果表明，在对网络中所有节点进行充电的实验环境中，所提出的HSGA算法能够获取充电车行驶路径最优解。在考虑网络能耗模型的场景下，与启发式算法相比，所提IOHA算法对移动充电车充电效率大约提高了12%左右，并且随着充电车电池总能量和充电周期的增长，充电效率呈线性增长，最终实现稳定的节点能量补充，并有效延长了网络生存时间。

目录

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致谢

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 无线传感器网络概述

1.2.3 无线能量传输技术

1.2.4 无线传感器网络移动优化策略研究进展

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文的章节安排

2可充电无线传感器网络

2.1 可充电无线传感器网络组成

2.2 无线传感器网络充电方式

2.3 可充电无线传感器网络充电规划研究

2.3.1 按照充电车充电范围分类

2.3.2 按照充电车数量分类

2.3.3 按照充电周期性分类

2.3.4 按照充电车总能量分类

2.3.5 按照优化对象分类

2.3.6 按照服务站部署方式分类

2.4 可充电无线传感器网络问题与挑战

2.5 可充电无线传感器网络应用

2.6 本章小结

3 基于充电车驻站时间最大化的充电路径规划策略

3.1 网络模型

3.2 充电模型

3.3 问题描述

3.4 充电路径规划策略

3.5 算法流程图

3.6 仿真实验

3.7 本章小结

4可充电无线传感器网络充电效率最大化研究

4.1 WSN网络概述

4.2.1 网络描述

4.2.2 能耗模型

4.2.3 充电模型

4.3.1 离线近似offline_appr算法

4.3.2 改进启发式IOHA算法

4.3.3 算法时间复杂度

4.3.4 算法伪代码

4.4.1 仿真环境

4.4.2 实验参数设置

4.4.2 仿真实验结果分析

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

作者简历

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